PUC. Marcelo Neves Barreto. Pesquisa e Desenvolvimento de um Acionamento para Motor de Passo Operando em Baixa Tensão. Dissertação de Mestrado

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1 PUC Marcelo Neves Barreto Pesquisa e Desenvolvimento de um Acionamento para Motor de Passo Operando em Baixa Tensão Dissertação de Mestrado Dissertação apresentada ao Programa de Pós-graduação em Engenharia Mecânica da PUC-Rio como requisito parcial para obtenção do título de Mestre em Engenharia Mecânica. Orientador: Prof. Dr. Mauro Speranza Neto Co-Orientador: Prof. Dr. Solly Andy Segenreich Rio de Janeiro Março de 2005

2 Marcelo Neves Barreto Pesquisa e Desenvolvimento de um Acionamento para Motor de Passo operando em Baixa Tensão Dissertação apresentada como requisito parcial para obtenção do grau de Mestre pelo Programa de Pósgraduação em Engenharia Mecânica do Departamento de Engenharia Mecânica do Centro Técnico Científico da PUC-Rio. Aprovada pela Comissão Examinadora abaixo assinada. Prof. Mauro Speranza Neto Orientador Pontifícia Universidade Católica do Rio de Janeiro Prof. Solly Andy Segenreich Co-Orientador Segen Moda 01 Ltda Prof. Marcelo de Oliveira Souza Universidade Estadual do Norte Fluminense Prof. Lúcio José Terra Petrucci Universidade Estadual do Norte Fluminense Prof. José Eugenio Leal Coordenador Setorial do Centro Técnico Científico PUC-Rio Rio de Janeiro, 22 de março de 2005.

3 Todos os direitos reservados. É proibida a reprodução total ou parcial do trabalho sem autorização da universidade, do autor e do orientador. Marcelo Neves Barreto Graduou-se em Engenharia Metalúrgica e de Materiais pela UENF (Universidade Estadual do Norte Fluminense) em Cursou também Licenciatura em Ciências, com habilitação em Física, pela UNIVERSO (Universidade Salgado de Oliveira), formando-se em Atualmente é professor e coordenador do curso de Gestão para a Indústria de Petróleo e Gás, da Universidade Estácio de Sá, em Campos dos Goytacazes/RJ, professor do curso de Engenharia de Produção e Matemática da UNIVERSO e professor e coordenador de Informática pela FAETEC (Fundação de Apoio a Escola Técnica do Estado do Rio de Janeiro). Ficha Catalográfica Barreto, Marcelo Neves Pesquisa e desenvolvimento de um acionamento para motor de passo operando em baixa tensão / Marcelo Neves Barreto ; orientador: Mauro Speranza Neto ; coorientador: Solly Andy Segenreich. Rio de Janeiro : PUC, Departamento de Engenharia Mecânica, f. ; 30 cm Dissertação (mestrado) Pontifícia Universidade Católica do Rio de Janeiro, Departamento de Engenharia Mecânica. Inclui referências bibliográficas. 1. Engenharia mecânica Teses. 2. Acionamento. 3. Motores de passo. 4. Atuadores. I. Speranza Neto, Mauro. II. Segenreich, Solly Andy. III. Pontifícia Universidade Católica do Rio de Janeiro. Departamento de Engenharia Mecânica. IV. Título. CDD: 621

4 À minha mãe Olinda, à minha querida esposa Fernanda e à minha linda filha Nicolli.

5 Agradecimentos: - Ao professor Solly Andy Segenreich, por seu constante apoio, orientação, amizade, confiança depositada e a tranqüilidade transmitida. - Ao professor Mauro Speranza, pela compreensão e confiança depositadas. - Ao Departamento de Engenharia Mecânica, pelo apoio oferecido por todos os professores e funcionários. - Aos colegas, principalmente ao Aldenir e ao Rodolfo, pela amizade e apoio durante a agradável convivência nestes dois anos. - Ao Sérgio e aos outros amigos do apartamento que gentilmente me concederam um local para morar durante este período. - Ao Laboratório de Ciências Físicas da UENF, pelo apoio dado em alguns experimentos, em especial ao técnico Luis e o professor Helion Vargas. - Ao técnico Brito e a todos os funcionários da SEGEN, pelo apoio dado. - A FAETEC e a E.T.E. João Barcelos Martins, pelo apoio dado com a liberação de carga horária. - À professora Maria Geny que gentilmente colaborou com a revisão deste trabalho. - Ao meu sogro Ernani Escocard pela ajuda dada na confecção de algumas bases de madeira que serviram de suporte em experiências práticas. - À minha esposa que soube compreender os momentos de ausência e de extremo estresse. - A CAPES, pela ajuda financeira.

6 Resumo Barreto, Marcelo Neves; Neto, Mauro Speranza. Pesquisa e desenvolvimento de um acionamento para motor de passo operando em baixa tensão. Rio de Janeiro, p. Dissertação de Mestrado Departamento de Engenharia Mecânica, Pontifícia Universidade Católica do Rio de Janeiro. A pesquisa e desenvolvimento de um acionamento para motor de passo operando em baixa tensão apresenta o desenvolvimento de um mecanismo de acionamento para motores de passo de 2 fases, destinado a operar na faixa de 12 a 18 V, tornando-se muito útil para automações em veículos, embarcações ou robôs que operam com baterias. O acionamento desenvolvido implementa o controle da corrente via chopper, como é usual nos acionamentos de motores de passo. Mas, ao contrário do usual, o tempo do ciclo ativo da onda responsável por ativar a corrente nas fases é pré-programado em microcontroladores, evitando-se a instabilidade e criticalidade típica dos circuitos responsáveis pelo sensoramento da corrente e sua realimentação para controle do ciclo ativo. Outro aspecto inovador do trabalho foi a utilização do integrado TD340 da ST Microeletronics, desenvolvido para utilização no controle de motores de corrente contínua, e que está sendo empregado com motores de passo. Os resultados experimentais apresentados no trabalho confirmam a adequação e utilidade do acionamento desenvolvido, tornando-o compacto e robusto. Palavras-chave: Acionamentos Motores de passo Atuadores

7 Abstract Barreto, Marcelo Neves; Neto, Mauro Speranza. The research and development of an driver for step motor operating in low tension. Rio de Janeiro, p. MSc. Dissertation Departamento de Engenharia Mecânica, Pontifícia Universidade Católica do Rio de Janeiro. The research and development of an driver for step motor operating in low tension presents the development of a chopper driver intended to drive 2- phase step motors. The driver was designed to operate between 12 and 18 V which makes it very attractive for automations in vehicles and robots which carry their own batteries. Contrary to the usual design, where the duty cycle of phase current is controlled by sensing this current and feed backing its value to the chopper, the present driver uses fixed value duty cycle, which varies step by step according to a table stored in the memory of a microcontroller. In so doing, we avoid most of the troubles due to noise and voltage fluctuation in the feedback line, typical of usual drivers. Another innovation presented in this work, is to use the H-Bridge MOSFET driver TD340 in driving step motors. This component, manufactured by ST Microeletronics, was originally designed for driving CC motors. Experimental results presented in this work show that the driver developed in this research has performed successfully according with the intended goal. Keywords: Step motor drivers Step motors - Actuators

8 Sumário 1. Introdução Antecedentes Objetivo Organização do trabalho Desenvolvimento funcional do acionamento Acionamento em meiopasso Acionamento em micropasso Lay-Out básico do acionamento A Função do componente TD Programação dos microcontroladores Programação dos microcontroladores de entrada MIC 1 e MIC Cálculo de t alta Programação dos microcontroladores de saída MIC 2 e MIC Desenvolvimento e montagem dos testes experimentais Montagem experimental Avaliação do torque Resultados experimentais Tabelas Gráficos 46

9 6. Conclusões Referências 48 Apêndice Apêndice A Apêndice B Apêndice C Apêndice D Apêndice E

10 Lista de figuras Figura 2.1 Diagrama de corrente nas fases para acionamento em meio passo 16 Figura 2.2 Diagrama de corrente nas fases defasadas em 90 o 17 Figura 2.3 Diagrama completo do circuito de acionamento utilizado 18 Figura 2.4 Esquema representando o T alta e o T total 19 Figura 3.1 Leitura do sinal na memória do PIC 21 Figura 3.2 Fluxograma dos microcontroladores de entrada 22 Figura 3.3 Fluxograma dos microcontroladores de saída 26 Figura 4.1 Fotografias a e b ilustrando a montagem do motor carregando uma massa antes do início de uma corrida. Em c as massas utilizadas nos ensaios 28 Figura 4.2 (a), (b) e (c) ilustrando as vistas de frente, planta e perfil respectivamente da placa de acionamento 29 Figura 4.3 Diagrama de aplicação de peso para a geração do Torque resistente 31 Figura 4.4 Vista do mostrador 32 Figura 4.5 Fotografia ilustrando a montagem do motor carregando uma massa antes do início de uma corrida 33 Figura 4.6 Árvore mostrando seqüência de experimentos Realizados para 12 V,15 V e 18 V 34 Figura 5.1 Curvas para tensão de 12 V, em meio passo e micropasso 46 Figura 5.2 Curvas para tensão de 15 V, em meio passo e micropasso 46 Figura 5.3 Curvas para tensão de 18 V, em meio passo e micropasso 46 Figura A.1 Curva típica torque X velocidade 51

11 Figura A.2 Curva torque X posição angular do rotor para um MP energizado para uma mesma posição 52 Figura A.3 Curva das duas fases e da resultante 53 Figura A.4 Curva de resposta para um único passo 54 Figura B.1 Diagrama dos enrolamentos bipolares de um motor de passo 55 Figura B.2 Diagrama de blocos do sistema de acionamento 56 Figura B.3 Controle de corrente PWM único passo 57 Figura E.1 Pinagem do PIC 16F628A 77 Figura E.2 Tabela (1 a parte) indicando o significado das nomenclaturas utilizadas na identificação dos pinos, descrevendo os detalhes de cada uma delas 78 Figura E.3 Tabela (2 a parte) indicando o significado das nomenclaturas utilizadas na identificação dos pinos, descrevendo os detalhes de cada uma delas 79 Figura E.4 Características específicas do PIC 16F628A 80 Figura E.5 Diagrama interno do PIC 16F628A 80

12 Lista de tabelas Tabela 3.1 Tabela com os valores utilizados na programação assembler do PIC 23 Tabela 3.2 Continuação da tabela com os valores utilizados na programação assembler do PIC 24 Tabela 5.1 Torque, corrente e tempo de corrida (para uma tensão constante de 12 V em meio passo, ciclo ativo 60 %) 36 Tabela 5.2 Torque, corrente e tempo de corrida (para uma tensão constante de 15 V em meio passo em meio passo, ciclo ativo 60 % 37 Tabela 5.3 Torque, corrente e tempo de corrida (para uma tensão constante de 18 V em meio passo em meio passo, ciclo ativo 60 %) 38 Tabela 5.4 Torque, corrente e tempo de corrida (para uma tensão constante de 12 V em micropasso em meio passo, ciclo ativo 60 %) 39 Tabela 5.5 Torque, corrente e tempo de corrida (para uma tensão constante de 15 V em micropasso em meio passo, ciclo ativo 60 %) 40 Tabela 5.6 Torque, corrente e tempo de corrida (para uma tensão constante de 18 V em micropasso em meio passo, ciclo ativo 60 %) 41 Tabela 5.7 Torque, corrente e tempo de corrida (para uma tensão constante de 12 V em micropasso, ciclo ativo 39 %) 42 Tabela 5.8 Torque, corrente e tempo de corrida (para uma tensão constante de 15 V em micropasso, ciclo ativo 39 %) 43 Tabela 5.9 Torque, corrente e tempo de corrida (para uma tensão constante de 18 V em micropasso, ciclo ativo 39 %) 44 Tabela 5.10 Tabela mostrando carga e corrente no teste de carga estática para ciclo ativo de 39 % e 60 % 45

13 1 INTRODUÇÃO 1.1 Antecedentes Nos últimos anos a automação dos processos de fabricação tem recebido um grande impulso com o desenvolvimento da microeletrônica digital e com a aplicação dessa tecnologia no controle de acionadores. A automação é hoje, mais que uma ferramenta de apoio, fator indispensável para a qualidade da operação industrial e comercial. Existe, particularmente, uma classe de motores elétricos muito utilizados em automação, pois permite controle de posição e de velocidade com certa facilidade. Esses motores são denominados motores de passo. O motor de passo é um dispositivo atuador incremental que realiza movimentos angulares discretos. Dessa forma, é razoável tratá-los como atuadores digitais, cujo movimento é resposta a um pulso de entrada. Deve-se lembrar que, da mesma forma que um motor elétrico convencional, o motor de passo também é um atuador eletromagnético que converte energia eletromagnética em trabalho mecânico. Assim, a cada pulso recebido pela unidade de controle o eixo do motor gira um determinado ângulo, denominado ângulo de passo do motor. O fato da magnitude do ângulo de passo ser constante faz com que o motor seja de grande utilidade em aplicações relacionadas a posicionamento, uma vez que, caso a operação se dê dentro dos limites de trabalho do motor, não é necessário monitorar a posição do seu eixo a cada instante, o que caracteriza o seu controle como sendo de malha aberta. Além do motor de passo em si, é necessário para a sua operação um dispositivo eletrônico denominado acionamento, que controla o chaveamento da corrente, que pode chegar a vários ampères, a partir de sinais lógicos (pulsos) recebidos como entrada. Por ser matéria de amplo conhecimento [BART 96], [FERR94], [LIMA97] e [SAX95], não será abordado no presente trabalho a tecnologia básica destes dois

14 Capítulo 1 - Introdução 14 temas, ficando para os Apêndices A e B uma apresentação resumida destinada ao leitor pouco familiarizado com o assunto. Um dos principais inconvenientes da atuação por motor de passo é a trepidação característica que ocorre em algumas velocidades. Essa trepidação deve-se ao fato do motor de passo ser um atuador discreto, o que torna o torque em seu eixo pulsante com a freqüência do trem de passos. No caso dessa freqüência aproximar-se de uma das freqüências naturais de vibração do conjunto, haverá sua excitação e surge a conhecida trepidação. Várias formas de atenuar esta trepidação têm sido reportadas na literatura incluindo-se amortecimento mecânico, amortecimento eletrônico, utilização de micropassos, etc. [SEGE97] e [GOUV91]. Deve-se registrar que, em geral, os resultados são apenas razoáveis, exceção feita, segundo a experiência do coorientador desta pesquisa, em relação ao acionamento da Parker-Hannifin cuja patente é relatada em [USPO98]. Como toda patente de primeira linha o documento é confuso e não desvenda os detalhes da inovação. Na busca de um tema atual e empolgante para este trabalho, teve-se conhecimento do circuito integrado TD 340 da STMicroelectronics [ST2003], que apesar de ser direcionado para motores de corrente contínua operando na faixa de 12 V a 18 V poderia ser, com certa engenhosidade, utilizado em motores de passo. Outro assunto a ser agregado à pesquisa, seria o tema que começou a ser explorado anteriormente [VARG00], de se construir o circuito PWM, necessário para o correto controle da corrente, utilizando a idéia de ciclo ativo (duty cycle) de largura pré-determinada, evitando-se o projeto clássico [ST2003] que utiliza um resistor para o monitoramento da corrente de fase com todos os inconvenientes conhecidos. Portanto, o presente trabalho explora dois assuntos muito palpitantes, a saber: a utilização de motores de passos de elevado torque, em baixa tensão, permitindo seu uso com baterias e a utilização do ciclo ativo pré-programado, simplificando a construção e operação do acionamento.

15 Capítulo 1 - Introdução Objetivo Esta pesquisa teve por objetivo desenvolver uma placa de acionamento funcionando em meio passo ou em micropasso, que seja capaz de operar em baixas tensões, utilizando um mínimo de componentes discretos. A placa irá implementar o conceito de ciclo ativo pré-programado, que será devidamente explicado neste trabalho Organização do Trabalho O trabalho se divide em seis capítulos, incluindo esta introdução. O Capítulo 2 descreve o lay-out do acionamento e discute em detalhes sua operação. O Capítulo 3 apresenta a programação dos microcontroladores. No Capítulo 4 encontram-se a montagem dos experimentos, e a apresentação ilustrada do circuito implementado com fotografias da montagem para os testes de torque. Esses resultados obtidos são mostrados no Capítulo 5 através de tabelas e gráficos característicos. No Capítulo 6 são comentados os resultados obtidos e apresentadas algumas propostas de trabalho futuro para melhorias, que ainda podem ser efetuadas, e as considerações finais do trabalho. Embora a compreensão do trabalho não exija um conhecimento prévio mais profundo de eletrônica, foi incluída no Apêndice uma breve descrição dos componentes eletrônicos utilizados além de alguns dados técnicos sobre eles, a fim de facilitar a compreensão do funcionamento dos circuitos desenvolvidos para leitores pouco familiarizados com a eletrônica. Isso foi feito para promover maior interdisciplinaridade entre mecânica e eletrônica.

16 2 DESENVOLVIMENTO FUNCIONAL DO ACIONAMENTO 2.1 Acionamento em Meio-passo No presente trabalho, o funcionamento do motor em meio-passo será implementado energizando as fases segundo o diagrama mostrado na figura 2.1. Figura 2.1: Diagrama de corrente nas fases para acionamento em meio passo No gráfico, podemos verificar que as fases 1 e 2 do motor possuem defasagem de 90 0, ou seja, enquanto uma está com a corrente no valor mínimo, a outra está com a corrente no valor máximo, desta forma permite-se que uma das fases sempre fique energizada, criando-se uma defasagem de campos magnéticos que fará o motor girar. Esta forma de energização tem a vantagem de ter a corrente média nas duas fases mais ou menos constante e, assim, produzir um torque aproximadamente sem variações. Vale lembrar que existem outras formas de acionar em meio passo, porém tornam o torque mais oscilante.

17 Capítulo 2 Desenvolvimento Funcional do Acionamento Acionamento em Micropasso No presente trabalho escolheu-se a resolução de 3200 passos por volta, pois a esta resolução o motor trabalha com menor índice de trepidação. A utilização de resoluções mais elevadas pouco acrescentaria ao escopo da pesquisa, requerendo, por outro lado, componentes mais específicos e caros. No caso da resolução de 3200 passos por volta o perfil de corrente se repete a cada 64 pulsos. O gráfico da figura 2.2 mostra o perfil de corrente está apresentado abaixo: 0 63 passos Figura 2.2: Diagrama de corrente nas fases defasadas em 90 o 2.3 Lay-Out Básico do Acionamento Como foi comentado na Introdução, um dos pontos centrais do presente tipo de acionamento é a chopperização com ciclo ativo pré-determinado, dispensando o monitoramento da corrente nas fases e as instabilidades conseqüentes. Para a implementação deste conceito, foi elaborado um circuito cujo diagrama de blocos é apresentado na figura 2.3.

18 Capítulo 2 Desenvolvimento Funcional do Acionamento 18 Figura 2.3: Diagrama completo do circuito de acionamento utilizado, onde HA1, HB1, LA1, LB1, Ha2, HB2, LA2, LB2 são transistores MOSFET IR540 A entrada do acionamento é constituída por dois sinais. O primeiro é passo (a cada subida de pulso é executado um passo) e o segundo é o sentido de rotação (horário ou anti-horário). Estes dois sinais são introduzidos em paralelo nos microcontroladores mic1 e mic3. Cada um dos microcontroladores possui, em sua memória interna, as tabelas de tempo de alta da onda quadrada, ou seja, o tempo que os MOSFETs ficarão ligados. No caso de resolução em meio passo, cada tabela tem oito itens. Já no caso de micropasso, cada tabela tem 64 itens. Importante notar que as duas tabelas têm os mesmos valores, porém defasados de 3 ou 15 linhas,

19 Capítulo 2 Desenvolvimento Funcional do Acionamento 19 respectivamente. O percurso do ponteiro pela tabela irá para frente ou para trás conforme o sinal de sentido na entrada. Os microcontroladores mic2 e mic4 têm programação idêntica. Servem para gerar uma onda quadrada de freqüência fixa, com o tempo de alta controlado pelo valor introduzido na porta de entrada e um sinal de sentido de corrente na fase. Os detalhes sobre a programação dos microcontroladores serão vistos no Capítulo 3. As ondas quadradas de chopper (figura 2.4) e o sinal de direção da corrente na fase são introduzidos nos integrados TD340 que têm por missão ativar os MOSFETs, conforme desejado. A figura abaixo mostra o sinal do chopper. Foi definida uma freqüência fixa de 16 KHz. V t alta t alta t total (83 loops ~ 63 µs) t Figura 2.4: Esquema representando o t alta e o t total

20 Capítulo 2 Desenvolvimento Funcional do Acionamento A Função do Componente TD340 Como se sabe [LIMA97], os transistores MOSFET de potência, utilizados tipicamente para o controle de corrente em motores de corrente contínua ou motores de passo, só conduzem de forma ideal (resistência interna praticamente nula) quando a tensão de grade é de 10 a 20 volts superior à tensão do pino fonte. No caso dos 4 MOSFETs que integram a ponte em H, controlar a corrente dos dois MOSFETs que estão na parte inferior não é problema, pois os pinos fonte estão aterrados. Já o controle dos dois MOSFETs superiores é problemático pois os pinos fonte têm tensão flutuante, podendo chegar ao próprio valor da tensão de alimentação (Vs). Conseqüentemente, deve-se utilizar componentes denominados MOSFET driver, cujo circuito interno é bastante elaborado, fugindo sua discussão ao escopo deste trabalho, e que garantem a correta ativação dos MOSFETs superiores. O componente TD340 pertence a classe dos MOSFET driver e possui internamente dois drivers, além de um regulador de tensão gerando 5 Volts para os circuitos lógicos, tornando-o extremamente atraente para este trabalho. No Apêndice D são dadas maiores informações sobre este componente.

21 3 PROGRAMAÇÃO DOS MICROCONTROLADORES Os microcontroladores selecionados para o presente trabalho foram os PICs 16F628-A da Microchip. Estes microcontroladores têm as vantagens de serem facilmente encontrados no mercado, apresentarem baixo custo, reprogramáveis com facilidade, podendo ser operados internamente com 20 MHz. O Apêndice E traz maiores detalhes sobre esta família de microcontrolador. 3.1 Programação dos Microcontroladores de Entrada MIC1 e MIC3 Estes microcontroladores servem para informar aos MIC2 e MIC4 o tempo de alta da onda quadrada por eles produzidos. Ambos têm esses tempos armazenados numa tabela interna. Cada item é dado por um byte com a estrutura mostrada na figura 3.1. Figura 3.1: Leitura do sinal na memória do PIC Onde: a informação do sentido da corrente; b,c,d,e,f,g,h tempo de alta O PIC é programado para gerar uma interrupção a cada subida de pulso no pino de entrada de pulsos (pino 6). A partir da interrupção, o contador da tabela avançará ou recuará de 1 conforme o sinal de sentido aplicado no pino de entrada

22 Capítulo 3 Programação dos Microcontroladores 22 (pino 1) correspondente. Feita a leitura da tabela, o byte é colocado nos oito pinos da porta de saída. O fluxograma desta programação é mostrado abaixo. Figura 3.2: Fluxograma dos microcontroladores de entrada

23 Capítulo 3 Programação dos Microcontroladores 23 A única diferença entre a programação de MIC1 e MIC3 é que na segunda o ponto inicial da tabela está defasado de 2 ou 15, conforme a programação em meio-passo ou micropasso. Os valores utilizados para compor o programa em linguagem assembler são mostrados nas Tabelas abaixo. Tabela 3.1 Micropasso - 39 % Micropasso - 60 % Meio-Passo - 60 % Tabela 3.1: Tabela com os valores utilizados na programação assembler do PIC

24 Capítulo 3 Programação dos Microcontroladores 24 Continuação da Tabela 3.1 Micropasso - 39 % Micropasso - 60 % Meio-Passo - 60 % Tabela 3.2: Continuação da tabela com os valores utilizados na programação assembler do PIC A obtenção destes valores é discutida em seguida, no item Cálculo de t alta : Cada ciclo do microcontrolador é efetuado em quatro ciclos de clock. Assim, utilizando o clock de 20 MHz, cada ciclo tem 200 ns. Para se obter uma freqüência de chopper na faixa de 16 KHz, tem-se: t total 1 16x10 3 t total 63µ s

25 Capítulo 3 Programação dos Microcontroladores 25 O t alta é determinado em função do percentual de ciclo ativo desejado. η ativo t = t alta total No presente trabalho foram utilizados η ativo = 0,39 e η ativo = 0,60, valores limítrofes inferior e superior, respectivamente, fornecido no datasheet do fabricante, visto no Apêndice D. Assim, Para η ativo = 0,39 t alta = 0,39x63 = 24,57 µs E para η ativo = 0,60 t alta = 0,60x63 = 37,8 µs Em número de ciclos de máquina, 24,57 l 0,39 = 123 0,2 37,8 l 0,60 = 189 0,2 onde l representa o número de ciclos. Para a confecção da tabela de t alta é mais conveniente guardar esta informação em termos de número de loops que deverão ser executados para consumir este tempo. Como cada loop consome aproximadamente 3,6 ciclos de máquina, foi definida uma nova variável T alta representando o número de loops a serem executados. Assim, (T alta ) 0,39 = 34 (T alta ) 0,60 = 53 Para finalizar, o bit inicial (LSB) guarda o sentido da corrente na fase. Assim, T alta, é armazenado a partir do segundo bit, o que vale dizer que deve ser multiplicado por 2.

26 Capítulo 3 Programação dos Microcontroladores Programação dos Microcontroladores de Saída MIC2 e MIC4 Estes dois microcontroladores têm exatamente a mesma programação. Ambos geram uma onda quadrada de freqüência fixa (~16 KHz) com o tempo de alta lido na porta de entrada. O fluxograma de sua programação é mostrado a seguir na figura 3.3. Variáveis: Tempo on tempo em alta Tempo off tempo em baixa Contador em baixa Contador em alta Pinochopper pino de saída que alimenta a entrada do TD340 Contador de TBaixa +1 Contador de TAlta +1 Figura 3.3: Fluxograma dos microcontroladores de saída

27 4 DESENVOLVIMENTO E MONTAGEM DOS TESTES EXPERIMENTAIS Neste capítulo será discutida a montagem do experimento destinada ao levantamento das curvas torque x velocidade angular. Os testes realizados visaram, primariamente, à avaliação da capacidade de geração de torque pelo conjunto acionamento-motor para diversas velocidades angulares. Como é sabido [LIMA97], esta informação é fundamental para o dimensionamento de qualquer projeto de automação que envolve motores de passo. Dessa forma, obteve-se uma avaliação experimental do acionamento desenvolvido verificando-se seus melhores e piores pontos. Além do levantamento das curvas de torque, buscou-se uma avaliação qualitativa da suavidade de rotação. Os experimentos foram realizados em uma bancada e o material utilizado constou de: Motor de passo modelo da Sanyo Denk, bifásico; Protótipo do circuito eletrônico; Fonte estabilizada MPS 3006 da MINIPA, com saída variável; Osciloscópio MO-1250S da MINIPA; Multímetro; Notebook PC K6-2 com freqüência de 550 MHz e 128 Mbytes de memória RAM. A seguir, serão apresentadas a montagem das experiências e a descrição de cada um dos testes, na ordem em que foram realizados. Informações sobre os componentes utilizados na montagem das experiências encontram-se em anexo no Apêndice D e E.

28 Capítulo 4 Desenvolvimento e Montagem dos Testes Experimentais Montagem Experimental: O motor de passo utilizado nos testes foi montado com eixo na horizontal. Uma polia com 4 cm de raio foi acoplada ao eixo para a produção do torque resistente mediante uma corda sustentando uma massa em sua ponta. As seqüências das figuras 4.1 e 4.2 mostram o arranjo experimental utilizado. (a) (b) (c) Figura 4.1: Fotografias (a) e (b) ilustrando a montagem do motor carregando uma massa antes do início de uma corrida. Em (c) são mostradas as massas utilizadas nos ensaios.

29 Capítulo 4 Desenvolvimento e Montagem dos Testes Experimentais 29 (a) (b) (c) Figura 4.2: (a), (b) e (c) ilustrando as vistas de frente, planta e perfil respectivamente da placa de acionamento Em todas as experiências, a entrada foi programada para gerar 2,29 rotações, o que resulta num deslocamento linear ao longo do percurso. O valor d calculado abaixo indica a distância total percorrida. d = 2 x π x NV x r, (4.1) onde: NV número de voltas r - raio da polia

30 Capítulo 4 Desenvolvimento e Montagem dos Testes Experimentais 30 Assim, d = 2 x π x 2,29 x 4 = 57,55 cm (4.2) Para ter-se uma maior precisão na determinação da velocidade angular, o programa executa um movimento de vai-e-vem de 6 percursos para cima e para baixo. Assim, a distância angular total percorrida é: θ total = 12 x 2,29 = 27,48 revoluções (4.3) A velocidade angular média ω, em rps,é dada por: ω = θ total T (4.4) onde: T é o tempo total do percurso 4.2 Avaliação do Torque O torque resistente é dado de acordo com a figura 4.1 por: τ = r. p (4.5) onde: τ torque resistente r raio da polia p força na corda

31 Capítulo 4 Desenvolvimento e Montagem dos Testes Experimentais 31 Figura 4.3: Diagrama de aplicação de peso para a geração do torque resistente O cálculo de p é dado por: p = m(g + a) (4.6) onde: m massa na ponta da corda g aceleração da gravidade a aceleração média durante a rampa de aceleração devido a inversão da velocidade A aceleração média a é obtida conforme a demonstração seguinte: V a = (4.7) t onde: V variação da velocidade linear t tempo de duração da rampa de aceleração Por outro lado, V = V subida - V descida (4.8) V subida = π x ω x r

32 Capítulo 4 Desenvolvimento e Montagem dos Testes Experimentais 32 V descida = - π x ω x r V = 2ω π r (4.9) Substituindo (4.9) em (4.6), tem-se: _ 2 r p P = m( g + ωπ ) (4.10) t Considerando t 0,3 segundos e g = 9,8 m/s 2, tem-se, finalmente: 2ω r τ = rm( g + π ) t _ ) (4.11) _ τ = mx. 4(9,8 + 0,27π ω) (4.12) onde: τ torque resistente em N.cm m massa em Kg ω - velocidade angular média em rps Como mostrador para detectar a perda de passo, foi feito um traço na polia com continuidade na base do motor, conforme figura 4.4. Figura 4.4: Vista do mostrador

33 Capítulo 4 Desenvolvimento e Montagem dos Testes Experimentais 33 Figura 4.5: Fotografia ilustrando a montagem do motor carregando uma massa antes do início de uma corrida Os testes foram executados de acordo com o seguinte procedimento: para cada carga, iniciava-se uma seqüência de corridas, elevando-se a velocidade de corrida para corrida. O teste era finalizado quando verificava-se a perda de passos. A seguir, iniciava-se um novo teste com nova carga, e assim por diante. Esse procedimento foi executado com o acionamento programado em meio passo e micropasso. Cada corrida foi executada imprimindo-se 6 percursos alternados no sentido horário e sentido anti-horário. O tempo total de corrida era cronometrado para o cálculo da velocidade angular média de acordo com 4.4. Realizaram-se testes para dois níveis de ciclo ativo de 39% e 60%. Abaixo é apresentado o mapa sintético de todas as experiências realizadas.

34 Capítulo 4 Desenvolvimento e Montagem dos Testes Experimentais 34 a) Testes com tensão de 12 V 12 V b) Testes com tensão de 15 V 15 V c) Testes com tensão de 18 V 18 V Figura 4.6: Árvore mostrando seqüência de experimentos realizados para 12 V, 15 V e 18 V

35 5 RESULTADOS EXPERIMENTAIS Neste capítulo, são apresentados os resultados dos diversos testes que serviram de base para a obtenção das curvas torque x velocidade angular. A corrente elétrica média nas fases também foi medida e registrada utilizando o amperímetro da própria fonte. O torque apresentado nas tabelas foi calculado segundo a expressão A partir da página seguinte encontram-se as tabelas que registraram os experimentos realizados. Os resultados das tabelas estão indicados nos gráficos. Nas tabelas estão registrados os valores obtidos dos experimentos até o instante anterior a perda de passo. Os espaços na tabela que aparecem com um traço representam a falta de dados devido a perda de passo. Quanto à análise dos gráficos, duas observações podem ser extraídas: a primeira informação é a de que os torques mais elevados são observados em ciclos ativos mais altos; a segunda é que os maiores torques ocorrem a velocidades menores. O fato de haver menos torque em maiores velocidades é explicado pela corrente menor que passa a circular no motor, conforme observado nas tabelas, que mostra, experimentalmente, à medida que aumenta a velocidade o decréscimo da corrente média nas fases. O campo magnético induzido criado e aumentado pela maior velocidade de giro do rotor bloqueia essa corrente média nas fases. À medida que se aumenta a tensão pouco se altera em relação ao torque e a velocidade angular. O aumento da tensão aplicada, até o limite de 18 Volts, dado em função do componente TD340, serve apenas para prolongar o limite final da velocidade angular.

36 Capítulo 5 Resultados Experimentais Tabelas: Carga Torque Status Corrente Tempo de Corrida ω (Quilogramas) (N.cm) (Ampères) (segundos) rps 0,275 10,99 OK 0,55 21,97 OK 0,82 32,76 OK 1,086 43,38 OK 1,354 54,09 OK 1,622 64,79 OK 0, ,22 Carga Torque Status Corrente Tempo de Corrida ω (Quilogramas) (N.cm) (Ampères) (segundos) rps 0,275 11,01 OK 0,55 22,03 OK 0,82 32,84 OK 1,086 43,49 OK 1,354 54,23 OK 1,622 64,96 OK 0, ,25 Carga Torque Status Corrente Tempo de Corrida ω (Quilogramas) (N.cm) (Ampères) (segundos) rps 0,275 11,03 OK 0,55 22,06 OK 0,82 32,90 OK 1,086 43,57 OK 1,354 54,32 OK 1, , ,27 Carga Torque Status Corrente Tempo de Corrida ω (Quilogramas) (N.cm) (Ampères) (segundos) rps 0,275 11,27 OK 0,55 22,55 OK 0, , , , , ,53 Carga Torque Status Corrente Tempo de Corrida ω (Quilogramas) (N.cm) (Ampères) (segundos) rps 0,275 11,67 OK 0, , , , , ,1 29 0,95 Tabela 5.1: Torque, Corrente e Tempo de Corrida (para uma tensão constante de 12 V em meio passo, ciclo ativo 60%)

37 Capítulo 5 Resultados Experimentais 37 Carga Torque Status Corrente Tempo de Corrida ω (Quilogramas) (N.cm) (Ampères) (segundos) rps 0,275 11,03 OK 0,55 22,06 OK 0,82 32,90 OK 1,086 43,57 OK 0,7 76 0,27 1,354 54,32 OK 1,622 65,07 OK Carga Torque Status Corrente Tempo de Corrida ω (Quilogramas) (N.cm) (Ampères) (segundos) rps 0,275 11,27 OK 0,55 22,55 OK 0, , , , , ,53 Carga Torque Status Corrente Tempo de Corrida ω (Quilogramas) (N.cm) (Ampères) (segundos) rps 0,275 11,67 OK 0,55 23,33 OK 0, , , , , ,95 Carga Torque Status Corrente Tempo de Corrida ω (Quilogramas) (N.cm) (Ampères) (segundos) rps 0,275 11,89 OK 0, , , , , , ,19 Tabela 5.2: Torque, Corrente e Tempo de Corrida (para uma tensão constante de 15 V em meio passo, ciclo ativo 60%)

38 Capítulo 5 Resultados Experimentais 38 Carga Torque Status Corrente Tempo de Corrida ω (Quilogramas) (N.cm) (Ampères) (segundos) rps 0,275 11,27 OK 0,55 22,55 OK 0,82 33,62 OK 1,086 44,52 OK 0, ,53 1,354 55,51 OK 1,622 66,50 OK Carga Torque Status Corrente Tempo de Corrida ω (Quilogramas) (N.cm) (Ampères) (segundos) rps 0,275 11,67 OK 0,55 23,33 OK 0, , , , , ,95 Carga Torque Status Corrente Tempo de Corrida ω (Quilogramas) (N.cm) (Ampères) (segundos) rps 0,275 11,89 OK 0,55 23,78 OK 0, , , , , ,19 Tabela 5.3: Torque, Corrente e Tempo de Corrida (para uma tensão constante de 18 V em meio passo, ciclo ativo 60%)

39 Capítulo 5 Resultados Experimentais 39 Carga Torque Status Corrente Tempo de corrida ω (Quilogramas) (N.cm) (Ampères) (segundos) (rps) 0,275 10,99 OK 0,55 21,97 OK 0,82 32,76 OK 1,086 43,38 OK ,22 1,354 54,09 OK 1,622 64,79 OK Carga Torque Status Corrente Tempo de corrida ω (Quilogramas) (N.cm) (Ampères) (segundos) (rps) 0,275 11,01 OK 0,55 22,03 OK 0,82 32,84 OK 1,086 43,49 OK 0, ,25 1,354 54,23 OK 1,622 64,96 OK Carga Torque Status Corrente Tempo de corrida ω (Quilogramas) (N.cm) (Ampères) (segundos) (rps) 0,275 11,21 OK 0,55 22,42 OK 0,82 33,42 OK 1,086 44,27 OK 0, ,46 1, , Carga Torque Status Corrente Tempo de corrida ω (Quilogramas) (N.cm) (Ampères) (segundos) (rps) 0,275 11,32 OK 0,55 22,64 OK 0,82 33,76 OK 1, , ,58 1, , Carga Torque Status Corrente Tempo de corrida ω (Quilogramas) (N.cm) (Ampères) (segundos) (rps) 0,275 11,58 OK 0, , , , ,86 1, , Tabela 5.4: Torque, Corrente e Tempo de Corrida (para uma tensão constante de 12 V em micropasso, ciclo ativo 60%)

40 Capítulo 5 Resultados Experimentais 40 Carga Torque Status Corrente Tempo de corrida ω (Quilogramas) (N.cm) (Ampères) (segundos) (rps) 0,275 11,21 OK 0,55 22,42 OK 0,82 33,42 OK 0, ,46 1,086 44,27 OK 1,354 55,19 OK 1, Carga Torque Status Corrente Tempo de corrida ω (Quilogramas) (N.cm) (Ampères) (segundos) (rps) 0,275 11,32 OK 0,55 22,64 OK 0,82 33,76 OK 0, ,58 1,086 44,71 OK 1, , Carga Torque Status Corrente Tempo de corrida ω (Quilogramas) (N.cm) (Ampères) (segundos) (rps) 0,275 11,61 OK 0,55 23,22 OK 0, , ,89 1, , , Carga Torque Status Corrente Tempo de corrida ω (Quilogramas) (N.cm) (Ampères) (segundos) (rps) 0,275 11,85 OK 0, , , ,15 1, , , Tabela 5.5: Torque, Corrente e Tempo de Corrida (para uma tensão constante de 15 V em micropasso, ciclo ativo 60%)

41 Capítulo 5 Resultados Experimentais 41 Carga Torque Status Corrente Tempo de corrida ω (Quilogramas) (N.cm) (Ampères) (segundos) (rps) 0,275 11,21 OK 0,55 22,42 OK 0,82 33,42 OK 1,086 44,27 OK 0,9 60 0,46 1,354 55,19 OK 1,622 66,11 OK Carga Torque Status Corrente Tempo de corrida ω (Quilogramas) (N.cm) (Ampères) (segundos) (rps) 0,275 11,32 OK 0,55 22,64 OK 0,82 33,76 OK 1,086 44,71 OK 0, ,58 1, , Carga Torque Status Corrente Tempo de corrida ω (Quilogramas) (N.cm) (Ampères) (segundos) (rps) 0,275 11,61 OK 0,55 23,22 OK 0, , , ,89 1, , Carga Torque Status Corrente Tempo de corrida ω (Quilogramas) (N.cm) (Ampères) (segundos) (rps) 0,275 11,85 OK 0, , , , ,15 1, , Tabela 5.6: Torque, Corrente e Tempo de Corrida (para uma tensão constante de 18 V em micropasso, ciclo ativo 60%)

42 Capítulo 5 Resultados Experimentais 42 Carga Torque Status Corrente Tempo de corrida ω (Quilogramas) (N.cm) (Ampères) (segundos) (rps) 0,275 10,99 OK 0,55 21,97 OK 0,82 32,76 OK 1,086 43,38 OK 1, , , ,22 Carga Torque Status Corrente Tempo de corrida ω (Quilogramas) (N.cm) (Ampères) (segundos) (rps) 0,275 11,02 OK 0,55 22,05 OK 0,82 32,87 OK 1,086 43,53 OK 1, , , ,26 Carga Torque Status Corrente Tempo de corrida ω (Quilogramas) (N.cm) (Ampères) (segundos) (rps) 0,275 11,21 OK 0,55 22,42 OK 0, , , , , ,46 Carga Torque Status Corrente Tempo de corrida ω (Quilogramas) (N.cm) (Ampères) (segundos) (rps) 0,275 11,32 OK 0, , , , , , ,58 Carga Torque Status Corrente Tempo de corrida ω (Quilogramas) (N.cm) (Ampères) (segundos) (rps) 0, , , , , , Tabela 5.7: Torque, Corrente e Tempo de Corrida (para uma tensão constante de 12 V em micropasso, ciclo ativo 39%)

43 Capítulo 5 Resultados Experimentais 43 Carga Torque Status Corrente Tempo de corrida ω (Quilogramas) (N.cm) (Ampères) (segundos) (rps) 0,275 10,99 OK 0,55 21,97 OK 0,82 32,76 OK 1,086 43,38 OK 1,354 54,09 OK 1,622 64,79 OK 0, ,22 Carga Torque Status Corrente Tempo de corrida ω (Quilogramas) (N.cm) (Ampères) (segundos) (rps) 0,275 11,02 OK 0,55 22,05 OK 0,82 32,87 OK 1,086 43,53 OK 1,354 54,27 OK 1, , ,26 Carga Torque Status Corrente Tempo de corrida ω (Quilogramas) (N.cm) (Ampères) (segundos) (rps) 0,275 11,21 OK 0,55 22,42 OK 0,82 33,42 OK 1, , , , ,46 Carga Torque Status Corrente Tempo de corrida ω (Quilogramas) (N.cm) (Ampères) (segundos) (rps) 0,275 11,32 OK 0,55 22,64 OK 0, , , , , ,58 Carga Torque Status Corrente Tempo de corrida ω (Quilogramas) (N.cm) (Ampères) (segundos) (rps) 0,275 11,61 OK 0, , , , , ,1 31 0,89 Tabela 5.8: Torque, Corrente e Tempo de Corrida (para uma tensão constante de 15 V em micropasso, ciclo ativo 39%)

44 Capítulo 5 Resultados Experimentais 44 Carga Torque Status Corrente Tempo de corrida ω (Quilogramas) (N.cm) (Ampères) (segundos) (rps) 0,275 11,02 OK 0,55 22,05 OK 0,82 32,87 OK 1,086 43,53 OK 1,354 54,27 OK 1, , ,26 Carga Torque Status Corrente Tempo de corrida ω (Quilogramas) (N.cm) (Ampères) (segundos) (rps) 0,275 11,21 OK 0,55 22,42 OK 0,82 33,42 OK 1, , , ,46 Carga Torque Status Corrente Tempo de corrida ω (Quilogramas) (N.cm) (Ampères) (segundos) (rps) 0,275 11,32 OK 0,55 22,64 OK 0, , , , , ,58 Carga Torque Status Corrente Tempo de corrida ω (Quilogramas) (N.cm) (Ampères) (segundos) (rps) 0,275 11,61 OK 0, , , , , ,1 31 0,89 Tabela 5.9: Torque, Corrente e Tempo de Corrida (para uma tensão constante de 18 V em micropasso, ciclo ativo 39%)

45 Capítulo 5 Resultados Experimentais 45 Teste de Carga Estática Ciclo Ativo de 39 % 12 Volts 15 Volts 18 volts Carga Corrente Carga Corrente Carga Corrente 1,60 Kg 0,58 A 1,87 Kg 0,73 A 2,14 Kg 0,86 A Teste de Carga Estática Ciclo Ativo de 60 % 12 Volts 15 Volts 18 volts Carga Corrente Carga Corrente Carga Corrente 3,18 Kg 1,35 A 3,70 Kg 1,76 A 3,97 Kg 2,17 A Tabela 5.10: Tabela mostrando carga e corrente no teste de carga estática para ciclo ativo de 39 % e 60 %

46 Capítulo 5 Resultados Experimentais Gráficos Curva Torque x Velocidade Angular Torque (N.cm) ,2 0,4 0,6 0,8 1 Velocidade Freqüência Angular (rps) Meio P as s o Ciclo Ativo 60% Micropasso Ciclo Ativo 60% Micropasso Ciclo Ativo 39% Figura 5.1: Curvas para tensão de 12 Volts, em meio passo e em micropasso Curva Torque x Velocidade Angular Torque (N.cm) ,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 Velocidade Freqüência Angular (rps) Meio Passo Ciclo Ativo 60% Micropasso Ciclo Ativo 60% Micropasso Ciclo Ativo 39% Figura 5.2: Curvas para tensão de 15 Volts, em meio passo e em micropasso Curva Torque x Velocidade Angular Torque (N.cm) ,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 Velocidade Freqüência Angular (rps) Meio Passo Ciclo Ativo 60% Micropasso Ciclo Ativo 60% Micropasso Ciclo Ativo 39% Figura 5.3: Curvas para tensão de 18 Volts, em meio passo e em micropasso

47 6 CONCLUSÕES Uma análise dos resultados apresentados nos diversos testes mostra o bom desempenho da placa de acionamento para os valores de tensão compreendidos entre 12 V e 18 V, que usa a tecnologia do componente TD 340. Para aplicações que não requeiram altos valores de torque em altas velocidades de rotação, esses resultados indicam que os níveis atingidos são alentadores. Mesmo não sendo o trabalho orientado à atenuação da trepidação, os testes executados mostraram que a trepidação era baixa e não foi incrementada nessa nova concepção de acionamento. Aplicações típicas estariam relacionadas com automóveis, embarcações e robôs, podendo ser usado com sucesso em qualquer tipo de mecanismo, sob condição de carga dentro dos limites das curvas obtidas. A freqüência de chopper imposta na programação dos microcontroladores foi ajustada na faixa de 16 KHz, valores normalmente utilizados nesse tipo de acionamento [ST2003], pois produzem nível de ruído sonoro quase imperceptível. A respeito dos resultados obtidos utilizando a nova tecnologia, pode-se notar que os níveis de torque são praticamente comparáveis com as curvas apresentadas nos catálogos dos motores de passo utilizando o acionamento de tecnologia convencional. Cabe ressaltar que o acionamento desenvolvido resultou em menos componentes e uma construção bem mais compacta. Entre as sugestões para pesquisas futuras, destacamos: a) Redução do ciclo ativo quando detectado que o motor está parado. Isto evitaria o aquecimento excessivo do mesmo numa situação em que não haja necessidade de torque muito elevado; b) Retomada da pesquisa no sentido da atenuação eletrônica da trepidação; c) Utilização do conceito de ciclo ativo prefixado com tensões mais elevadas. Nesse caso, os drivers de MOSFET TD340 deverão ser substituídos, pois estes têm sua operação limitada a 19 V. A construção mais simples e o domínio dessa nova tecnologia abrem caminho para diminuir a tão ruim dependência tecnológica nessa área de automação industrial, que foi um de nossos principais objetivos desde o início deste trabalho.

48 Referências Bibliográficas [AMS2000] Advanced Micro Systems, INC, Stepper Motor System Basics, web site: Acesso em 28 de março de [BART96] Bartels, Mel, Step Motors, http//zebu.uoregon.edu/~mbartels/altaz.htm1#motors [FERR94] Ferreira, Cesar Gomes, Segenreich S.A., Motores de Passo: Técnica Anti-Ressonância, Tese de Mestrado, Programa de Engenharia Mecânica, COPPE/UFRJ, Junho,1994. [GOUV91] Gouvinhas, R. P., Desenvolvimento e Testes de Amortecedores para Motores de Passo, Tese de Mestrado, PUC/MEC, [IRF2000] International Rectifier, Half Bridge Driver, web site: http: Acesso em 12 de abril de [LIMA97] Lima, R. V., Análise e Desenvolvimento Experimental de uma Placa de Acionamento em Micropasso, Tese de Mestrado, Programa de Engenharia Mecânica, Março de [SAX95] Sax h., Stepper Motors Driving, Applications Notes AN235/0788, SGS-Thompson, web site: Acesso em 15 de maio de [SEGE97] Segenreich, S.A., Lima, R.V., Análise e Desenvolvimento Experimental de um Acionamento em Micropasso, COBEM97, 1997, Bauru, SP, 8-12 de Dezembro. [SOUZ03] Souza, D. J., Desbravando o PIC, Editora Érica, 7 a edição, [ST2001] STMicroelectronics, H-Bridge Quad Power Mosfet Driver for DC Motor Control, web site: Acesso em 21 de julho de [ST2003] STMicroelectronics, DMOS Full Bridge Driver, web site: Acesso em 21 de julho de [VARG00] Vargas, J.M.P., Desenvolvimento e Testes de um Acionamento em Micropasso Utilizando Duas Tecnologias Distintas, Tese de Mestrado, DEM/PUC, 2000.

49 Referências Bibliográficas 49 [USPO98] Nordquist et al, U.S. Patent Office, Patent number , December 8, 1998.

50 APÊNDICE Os apêndices que se seguem se destinam a ajudar a compreensão dos circuitos eletrônicos, programas e experimentos implementados ao longo do trabalho, incluindo breve descrição do funcionamento dos dispositivos eletrônicos utilizados e folhas de dados (datasheets) dos dispositivos empregados. O Apêndice A faz uma descrição dos motores de passo enquanto no Apêndice B temos informações de acionamentos do tipo chopper. O Apêndice C resume uma descrição técnica do motor Sanyo-Denk (modelo ) e o Apêndice D traz a descrição e especificações do CI TD 340. O Apêndice E encerra com a descrição e as especificações do microcontrolador PIC 16F628A.

51 Apêndice A - Motores de Passo Apresenta-se, a seguir, uma típica curva torque x velocidade de um motor de passo. O cuidadoso exame da curva torque x velocidade angular é a chave para uma boa seleção de um motor de passo e do tipo de acionamento para uma aplicação específica. Aqui é importante salientar que essas características são fortemente dependentes do tipo de motor, do modo de excitação e do tipo de acionamento usado. Figura A.1: Curva típica Torque X Velocidade Estática e Dinâmica dos Motores de Passo Torque estático (Holding Torque): é o torque necessário para deslocar o rotor para uma nova posição de equilíbrio estável, quando o motor se encontra em repouso e com as fases energizadas. Esse torque mantém o eixo do motor na posição de detenção, segurando estaticamente a carga na posição desejada. Por isso, esse é um dos parâmetros mais importantes a ser quantizado. Para um motor com resolução de θ graus por passo, o gráfico torque x deslocamento angular do rotor em relação a uma posição de equilíbrio estável, pode ser aproximado por uma senóide [ACAR85]. A forma real da curva depende da geometria dos pólos do rotor e estator e do tipo de acionamento

52 usado e é obtida experimentalmente. Para a maioria dos motores uma curva aproximada é mostrada abaixo. Figura A.2: Curva torque X posição angular do rotor para um MP energizado para uma mesma posição As posições A e C representam os pontos de equilíbrio estável quando não se têm forças externas ou cargas aplicadas ao eixo do motor. Quando se aplica um torque externo Ta ao eixo do motor, este desloca-se até uma nova posição de equilíbrio θa. O ângulo θa representa um erro estático de posicionamento. Enquanto θa permanecer abaixo de θ H o equilíbrio será estável. Na zona sombreada, encontram-se posições de equilíbrio instáveis que são proibidas para um funcionamento apropriado do motor, pois geram perda de passo. Quando T H é excedido, o motor entra na região instável, o ângulo do motor irá incrementar mesmo com o torque caindo, não mais recuperando a posição de equilíbrio original.

53 Figura A.3: curva das duas fases e da resultante Se duas fases são energizadas simultaneamente, a curva torque x deslocamento angular equivale à soma das curvas de torque x deslocamento angular das duas fases, assumindo que nenhuma parte do circuito magnético entra em saturação. Para um motor de passo, as curvas são defasadas de θ graus e, se as correntes nas duas fases forem iguais, a amplitude da curva será igual a 1,414 vezes a amplitude das curvas componentes, como apresentado na figura A.3. Torque Dinâmico (Pull-Out Torque): é o torque disponível após o motor ter sido acelerado. Este torque é gerado em conseqüência de correntes induzidas nas fases devido ao movimento do rotor. Idealmente, cada vez que o motor gira um passo, a nova posição de equilíbrio deveria ser alcançada instantaneamente sem erro ou oscilação. Na prática, entretanto, isto não ocorre devido a vários fatores como: inércia do rotor e da carga, constantes de tempo de magnetização, correntes autoinduzidas, etc.